采用SH_N平臺實現(xiàn)KDO試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)改造的實踐

鄭夕佳

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

KDO 系統(tǒng)（試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）主要用在機(jī)組啟動試驗過程中，檢查影響機(jī)組及其保護(hù)設(shè)備運(yùn)行的各種自動控制回路的相關(guān)調(diào)節(jié)量，為其他各系統(tǒng)的一系列重要試驗提供直觀清晰的監(jiān)視、記錄和分析手段，它還用于在電廠運(yùn)營期間運(yùn)行狀態(tài)記錄和試驗，同時還用來記錄需要長期監(jiān)視的核島參數(shù)，并將采集到的RCP 系統(tǒng)（Reactor Coolant System，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)）用于監(jiān)視和計算實時熱功率和8h 滑動平均熱功率。

KDO 系統(tǒng)在全廠調(diào)試期間，即從熱試驗到正式運(yùn)營期間用于分析試驗的結(jié)果和瞬間現(xiàn)象，同時可用于分析各種瞬態(tài)過程，如：主泵惰走、主泵鑒定、降功率、孤島運(yùn)行、緊急停堆、汽機(jī)跳閘、甩負(fù)荷等。

嶺澳一期KDO 系統(tǒng)始建于2000年，采用和利時公司CAS 平臺產(chǎn)品，至今已運(yùn)行近20年。由于設(shè)備老化嚴(yán)重，關(guān)鍵設(shè)備的備件生產(chǎn)和維修存在很大困難，現(xiàn)采用北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司（簡稱：CTEC）的最新一代的SH_N 平臺進(jìn)行改造升級換代，是中廣核集團(tuán)首個使用SH_N平臺實施改造的工程項目。

核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)平臺（簡稱SH_N 平臺），是應(yīng)用于核電站控制系統(tǒng)以及老電站改造的通用性平臺。SH_N平臺是基于已有的核電廠實踐經(jīng)驗和技術(shù)積累，結(jié)合核電站及各工業(yè)控制行業(yè)的實際需求和發(fā)展需要而開發(fā)的系統(tǒng)平臺。SH_N 平臺作為CTEC 自主研發(fā)的數(shù)字化儀控平臺，適用于華龍一號、M310 改造等陸上堆和海上小堆儀控系統(tǒng)。CTEC 從2007年建立SpeedyHold 品牌開始，2009年推出第一代產(chǎn)品SpeedyHold-1000-N1，2012年推出第二代產(chǎn)品SpeedyHold-2000，磨劍6年于2018年推出第三代產(chǎn)品SH_N。

1 改造的技術(shù)要求

嶺澳一期KDO 系統(tǒng)使用SH_N 平臺進(jìn)行改造，替代原CAS 平臺產(chǎn)品，改造后對KDO 系統(tǒng)進(jìn)行了整體優(yōu)化，主要體現(xiàn)為系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集方法、熱功率組態(tài)方法、KDO 試驗功能和SC 瞬變記錄功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

嶺澳一期KDO 系統(tǒng)改造前數(shù)據(jù)服務(wù)器A/B、歷史服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)計算機(jī)安裝于2KDO003PP 操作臺中，散熱量大，維護(hù)不便，改造后新增加1 臺服務(wù)器機(jī)柜9KDO001HA 專用于放置數(shù)據(jù)服務(wù)器A/B 和網(wǎng)關(guān)計算機(jī)，易于散熱，維護(hù)方便。改造前3 臺服務(wù)器架構(gòu)為冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器+歷史服務(wù)器架構(gòu)，改造后加大了數(shù)據(jù)服務(wù)器硬盤容量（3T），刪除了歷史服務(wù)器，服務(wù)器數(shù)量由3 臺優(yōu)化為2 臺。

KDO 系統(tǒng)改造前，采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通過采集計算機(jī)（配置4 通道CAN 通訊板卡）實現(xiàn)，改造后由主控模組（主控底座+MPU+ECC）實現(xiàn)。由于采集計算機(jī)只支持3COM網(wǎng)卡，系統(tǒng)研發(fā)時只針對3COM 網(wǎng)卡編寫了專用驅(qū)動程序（通用性差），現(xiàn)3COM 網(wǎng)卡已停產(chǎn)，無法采購相應(yīng)替代備件，無法維護(hù)。采集計算機(jī)不支持冗余，改造后主控模組支持冗余（配置冗余MPU 和冗余ECC 模塊）。采集計算機(jī)安裝QNX 4.25 系統(tǒng)，穩(wěn)定性較差；主控制單元MPU集成VxWorks 6.6 系統(tǒng)，穩(wěn)定性高。QNX 4.25 重裝費(fèi)時費(fèi)勁，且不能確保一次成功；MPU 已集成操作系統(tǒng)，無需安裝，只需要對固件進(jìn)行優(yōu)化升級。采集計算機(jī)上的3COM網(wǎng)卡傳輸速率為100Mbps，主控底座上的網(wǎng)口傳輸速率均為1000Mbps，速率更快。改造前后L1 層設(shè)備改進(jìn)對比圖如圖1。

圖1 改造前后L1層設(shè)備改進(jìn)對比圖Fig.1 Comparison of L1 equipment improvement before and after reconstruction

改造后KDO 系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2。

圖2 KDO系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 KDO System architecture

3 改造的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)采集方法

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

嶺澳一期KDO 系統(tǒng)單個機(jī)組采集286 個點(diǎn)，包括42個0.2V～1V，142 個1V～5V，35 個100mV～500mV，7 個4mV～20mA，4 個0V～10V，5 個0VAC～100VAC和51 個48VDC SOE。

改造前使用單通道的2B250 輸入模塊，改造后使用多通道輸入模塊，節(jié)省了機(jī)柜空間，并將非標(biāo)準(zhǔn)的電壓型小信號（100mV～500mV 和0.2V～1V）、交流信號（0VAC～100VAC），通過魏德米勒的隔離器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4mV～20mA 信號采集，便于維護(hù)。2B250 采集多種信號，在長期運(yùn)行過程中模塊通道精度穩(wěn)定性較差，采用標(biāo)準(zhǔn)模塊HCMC01A 和HCMC02A 后，便于長期穩(wěn)定運(yùn)行。

從KRG 系統(tǒng)采集215 個點(diǎn)（模擬量點(diǎn)共235 個，占比91.5%），其中KRG NI（SIP V）共163 個信號（占比69.4%）輸出給KDO 系統(tǒng)時正負(fù)端子上各加裝1 個4.7KΩ橋臂電阻，用以保護(hù)KRG 側(cè)CA 輸出卡件，對于橋臂電阻導(dǎo)致的分壓，使用通道校準(zhǔn)的方法進(jìn)行優(yōu)化處理。

注：KRG 系統(tǒng)（核電廠重要模擬量處理系統(tǒng)）是嶺澳核電廠保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分。

3.1.2 通道校準(zhǔn)

KRG NI（SIP V）給KDO 系統(tǒng)輸出模擬量信號時，在正負(fù)信號線上通過端子排增加了4.7KΩ 隔離電阻，如圖3。共涉及163 個信號（包括0.2V~1V、100mV~500mV 和1V~5V），見表1。

表1 KDO系統(tǒng)采集信號類型統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of KDO system acquisition signal types

圖3 KRG系統(tǒng)增加4.7KΩ隔離電阻圖Fig.3 Diagram of 4.7K Ω isolation resistance added to KRG system

由于0.2V～1V 和100mV～500mV 信號是通過隔離器ACT20P-PRO DCDC II-S采集后輸出4mV～20mA 給HCMC01A 模塊采集，魏德米勒廠家提供的隔離器實測輸入阻抗數(shù)據(jù)見表2。

表2 魏德米勒隔離器實測輸入阻抗數(shù)據(jù)表Table 2 Measured input impedance data of weidmuller isolator

1V～5V 信號是通過HCMC02A 模塊采集，由于SH_N中的電壓采集模塊的輸入阻抗是按照通用DCS 的需求指標(biāo)大于1MΩ 來設(shè)計，實際設(shè)計為2MΩ 左右，適用于通用的電壓信號采集。

嶺澳一期KDO 中輸入信號中串入了近10K 電阻，理論上如果要分壓不影響精度（<0.01%），則需要采集端的內(nèi)阻達(dá)到100MΩ，此種特殊設(shè)計為非常規(guī)設(shè)計。由于DCS中一般AO 電壓的帶載能力都超過10KΩ，一般需求是AI端設(shè)計為1MΩ，并且輸入阻抗越大采集信號越容易受到干擾，因而SH_N 采用2MΩ 電阻屬于合理設(shè)計。

SH_N 平臺數(shù)字化采集模塊，以及魏德米勒隔離器前端輸入阻抗均采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，如果輸入信號串入一個4.7KΩ電阻，根據(jù)歐姆定律，則采集的電壓信號會存在壓降，即存在一定的誤差，詳細(xì)說明如圖4。

圖4 通道誤差計算原理圖Fig.4 Schematic diagram of channel error calculation

由于采集信號橋臂電阻的存在，會產(chǎn)生一定的誤差，可以使用SH_N 平臺KDO 工程師站軟件上的通道校準(zhǔn)功能對每個通道進(jìn)行在線校準(zhǔn)。

針對1V～5V 電壓型信號的壓降，首先焊接兩根串有4.7KΩ 電阻的信號線，再使用標(biāo)準(zhǔn)信號源（0.02%）對每個電壓型通道進(jìn)行校準(zhǔn)（HCMC02A 模塊的校準(zhǔn)設(shè)定值為0V 和5.5V）。首先加0V，點(diǎn)擊零校驗按鈕保持5s，然后加5.5V，點(diǎn)擊滿校驗按鈕保持5s，最后點(diǎn)擊停止校驗按鈕，結(jié)束校驗。

注：校驗時，HCMC01A/HCMC02A 模塊RUN 指示燈慢閃表示該模塊進(jìn)入了校驗?zāi)Ｊ?，不再采集?shù)據(jù)，點(diǎn)擊停止校驗后結(jié)束校驗工作，模塊工作模式恢復(fù)為采集模式，RUN 燈停止閃爍，保持常亮，此時通道校準(zhǔn)結(jié)束。

由于0.2V～1V 和100mV～500mV 信號與HCMC01A模塊之間經(jīng)過了隔離器轉(zhuǎn)換信號，隔離器輸出信號設(shè)置范圍為-20mA～20mA，而HCMC01A 模塊的校準(zhǔn)設(shè)定值為0mA 和25mA（校準(zhǔn)方法參考HCMC02A），因而無法使用電壓型模塊的校準(zhǔn)方式，則需要根據(jù)0.2V～1V 和100mV～500mV 信號采集的不同壓降，將25mA 滿量程設(shè)定值按壓降比例調(diào)低，計算說明見表3。

表3 信號校準(zhǔn)滿量程設(shè)定值表Table 3 Signal calibration full scale setting values

3.1.3 通道測試

對于經(jīng)過通道校準(zhǔn)的信號可以使用SH_N 平臺KDO 系統(tǒng)OPS 軟件上的通道測試功能，對每個通道進(jìn)行精度驗證。

使用串有4.7KΩ 電阻信號線的標(biāo)準(zhǔn)信號源（0.02%），針對0.2V～1V 信號需在隔離器輸入側(cè)加0.2V、0.4V、0.6V、0.8V 和1V 共5 個檔位的信號進(jìn)行通道測試，針對100mV～500mV 信號需在隔離器輸入側(cè)加100mV、200mV、300mV、400m 和500mV 共5 個檔位的信號進(jìn)行通道測試，針對1V～5V 信號需在HCMC02A 模塊輸入端加1V、2V、3V、4V 和5V 共5 個檔位的信號進(jìn)行通道測試。測試結(jié)果滿足技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的0.1%精度要求。

3.2 熱功率組態(tài)方法

KDO 系統(tǒng)熱功率監(jiān)視功能主要完成一回路熱功率計算和熱功率水平監(jiān)視，改造后對KDO 專用功能塊進(jìn)行加密封裝，提高了熱功率算法運(yùn)行的穩(wěn)定性。主要封裝的功能塊包括：LAI_10（8h 滑動平均熱功率計算）、ONE_WTR（水密度計算）、ONE_WTRHOT（熱段焓計算）、ONE_WTRCD（冷段焓計算）、AVRG（10 個參數(shù)滑動平均計算）、ALARM（熱功率階躍報警計算）、Q_3（質(zhì)量位判斷）、E_60（中性電流滑動平均計算）。

3.3 KDO試驗功能

SH_N 平臺KDO 試驗功能對組態(tài)項試驗點(diǎn)、圖形、報表、方案頁和布局進(jìn)行了精簡，將不常用的報表從試驗組態(tài)項中剔除，由5 項優(yōu)化為4 項。并將試驗組態(tài)設(shè)備由OPS 變更為工程師站，便于統(tǒng)一組態(tài)、統(tǒng)一管理，以及將試驗方案統(tǒng)一下裝到OPS。

3.4 SC瞬變記錄功能

原KDO 系統(tǒng)使用記錄儀采集現(xiàn)場SC 瞬變信號，無法將現(xiàn)場信號傳輸?shù)絆PS 上進(jìn)行顯示，只能到機(jī)柜側(cè)進(jìn)行查看，如圖5。

圖5 原KDO系統(tǒng)記錄儀Fig.5 Original KDO system recorder

記錄儀采用SIM 卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，容量有限，每臺記錄儀需要定期更換空的SIM 卡，并對更換下來的SIM 卡備份歷史數(shù)據(jù)，工作量大。改造后，SC 瞬變數(shù)據(jù)使用服務(wù)器存儲，服務(wù)器硬盤容量大，可靠性高，存儲180 天以上歷史數(shù)據(jù)，無需頻繁備份歷史數(shù)據(jù)。

SH_N 平臺使用高速25ms、0.1%精度模塊HCMC01A和HCMC02A 采集現(xiàn)場信號，用以替代記錄儀，并在OPS上增加SC 趨勢、SC 報警日志、SC 歷史報警、SC 歷史報警和SC 歷史瞬變?nèi)罩竟δ埽靡酝晟茖C 瞬變信號的監(jiān)視和分析。

4 改造效果評價

2020年10月，L216 大修（嶺澳核電站2 號機(jī)組第16次大修）期間進(jìn)行了嶺澳一期2 號機(jī)組KDO 系統(tǒng)現(xiàn)場改造，為期3 周，由于SH_N 產(chǎn)品首次應(yīng)用在工程項目上，項目組克服產(chǎn)品軟硬件問題、數(shù)據(jù)采集等諸多問題，并于大修結(jié)束前成功投運(yùn)，截止目前已穩(wěn)定運(yùn)行2年，用戶反饋良好。

本文以SH_N 平臺為基礎(chǔ)，對比CAS 平臺產(chǎn)品，從系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集方法、KDO 試驗功能、熱功率組態(tài)方法、SC 瞬變記錄功能共5 個方面進(jìn)行了分析說明，詳細(xì)闡述了KDO 系統(tǒng)的改進(jìn)及優(yōu)化項，改造后KDO 系統(tǒng)便于使用，易于維護(hù)，兼容性強(qiáng)，穩(wěn)定性好。

5 結(jié)論

本文針對嶺澳一期KDO 系統(tǒng)平臺由舊平臺遷移改造至新平臺過程所涉及的整個KDO 系統(tǒng)架構(gòu)、25ms 快速和0.1%高精度數(shù)據(jù)采集、熱功率組態(tài)方法、KDO 試驗和SC瞬變記錄功能的改進(jìn)優(yōu)化等進(jìn)行設(shè)計、調(diào)試、驗證，積累了相關(guān)的實踐經(jīng)驗，所開展的工作對于類似的工程改造具有很好的借鑒意義。

嶺澳一期KDO 系統(tǒng)改造是SH_N 首次在中廣核集團(tuán)內(nèi)工程項目上進(jìn)行實施，該系統(tǒng)的成功改造應(yīng)用對于SH_N在非安全級DCS 上的應(yīng)用具有重要的核電應(yīng)用業(yè)績與指導(dǎo)意義。